Soluciones

INTRODUCCIÓN

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

Sólido puro o disolución sólida

Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide)

Mezcla sólido - líquido

Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un líquido completamente homogéneo.

Mezcla líquido - gas

Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización:

Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.

Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.

Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.

Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).

Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante: eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide, monotéctica, monotectoide, sintéctica, catatéctica.

OBJETIVOS

Hacer un análisis térmico experimental de una mezcla líquido - sólido y con los datos experimentales construir un diagrama de equilibrio comparándolo con el calculado teóricamente y aplicar la Regla de las Fases a los diagramas de equilibrio. Saber el significado del punto eutéctico.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

¿Qué consideración debemos tener para el estudio de este tipo de diagramas?

Cuando una disolución liquida alcanza una temperatura a la que ocurre la solidificación, normalmente una fase pura se solidifica a partir de una disolución. Al hacerlo, el líquido que queda se hace más concentrado del otro componente. La adición de cualquier soluto reduce el punto de congelación de cualquier disolvente.

Ball, W.D. 2004. Fisicoquímica. Primera edición. México. Editorial Thomson. Pág.190.

Describa cuáles son los cambios que pueden ocurrir en este sistema.

Los cambios que se producen se pueden expresar de la siguiente manera:

A1 a a2. El sistema entra en la región de dos fases “liquido +B”. El sólido B puro comienza a eliminarse de la solución y en el liquido restante predomina A.

a2 a a3. Aumentan las formas solidas y la regla d ela palanca nos indica las cantidades relativas de sólidos y líquidos (en equilibrio). En esta etapa hay aproximadamente la misma cantidad de cada uno. En la fase liquida hay mayor cantidad de A que antes (su composición esta dada por b3), pues parte de B se ha depositado.

A3 a a4. Al final de este paso, hay menor cantidad de líquido que en a3 y su composición es e. este liquido se congela y se obtiene un sistema de dos fases de B puro y A puro.

Atkins, P. 2006. Fisicoquímica. Octava edición. España. Editorial panamericana. Pág. 189.

Cada componente puro se torna impuro, es decir, conforme se desplazan desde un extremo hacia la parte media del diagrama de fase, el punto de fusión disminuye. Un componente cambiara preferentemente de fase y el otro se hará cada vez más concentrado dentro del líquido que queda.

Ball, W.D. 2004. Fisicoquímica. Primera edición. México. Editorial Thomson. Pág.190.

¿Qué es la regla de fases?

F=C-P+2

La regla de las fases de J. Willard Gibbs. La mejor manera de recordar esta regla es teniendo en cuenta que el aumentar el número de componentes aumenta el número total de variables. Por lo tanto, C tiene signo positivo. Aumentando el número de fases aumenta el número de condiciones de equilibrio y de ecuaciones, con lo cual se eliminan algunas variables y P tiene signo negativo.

Castellan, W.G. 1998. Fisicoquímica. Tercera edición. México. Adisson Wesleylongman de México. Pág. 291.

la regla de las fases de Gibbs describe el número de grados de libertad (L) en un sistema cerrado en equilibrio, en términos del número de fases separadas (F), el numero de componentes químicos (C) del sistema y N el numero de variables no composicionales. Esta regla establece la relación entre esos 4 números enteros dada por:

L=C-F+N

Atkins, P. 2006. Fisicoquímica. Octava edición. España. Editorial panamericana. Pág. 189.

¿Qué es el punto eutéctico?

La composición eutéctica (del griego, “de fácil fusión), la mezcla con más bajo punto de fusión. Un líquido de composición eutéctica se congela a una única temperatura, sin que depositen previamente los sólidos A o B. Un sólido de composición eutéctica funde sin cambiar su composición, a la menor temperatura de cualquier mezcla.

Atkins, P. 2006. Fisicoquímica. Octava edición. España. Editorial panamericana. Pág. 189.

Un componente cambiara preferentemente de fase y el otro se hará cada vez mas concentrado dentro del líquido que queda. Enseguida los dos componentes se congelan simultáneamente y el sólido que se forma tendrá la composición que el líquido. Esta composición recibe el nombre de composición eutéctica, con esta composición el liquido actúa como si fuera componente puro, así que las fases sólida y liquida tienen la misma composición cuando se encuentra en equilibrio a la temperatura eutéctica TE.

Castellan, W.G. 1998. Fisicoquímica. Tercera edición. México. Adisson Wesleylongman de México. Pág. 291.

¿Cómo se construye este diagrama de fase?

Estos diagramas pueden construirse a partir de las curvas de enfriamiento liquido-solido del sistema. En elementos puros, estas curvas de estabilización térmica mientras dura la solidificación. Por el contrario, en las soluciones sólidas las solidificaciones no se producen a temperatura constante, los comienzos de las mismas nos dan puntos de la línea liquidus y los finales puntos de la línea solidus. Por otra parte hay que tener en cuenta que los diagramas a los que nos estamos refiriendo recogen situaciones de equilibrio; pero que éste no se alcanza con la misma velocidad en sistemas sólidos y líquidos. Así por ejemplo, estamos enfriando rápidamente un material, al pasar por la región en la que tenemos una fase líquida y otra sólida se producirá un importante gradiente de concentraciones derivado de las bajas velocidades de difusión del sólido

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